一种级联多电平变换器零序电压最小空间矢量调制方法技术

本发明专利技术公开了一种级联多电平变换器零序电压最小空间矢量调制方法，通过附加一个特定的约束条件将SVPWM算法中基本矢量和开关状态之间映射的非齐次线性方程组转换为齐次线性方程组，求解新的齐次线性方程组，即可得到特定约束条件下基本矢量对应的开关状态，并且所得开关状态为此基本矢量对应的所有开关状态中零序电压最小的一个。该简化SVPWM方法适用于任意级数多电平变换器。与现有的空间矢量调制技术相比，本发明专利技术的上述方案，可以直接得到基本矢量对应的所有开关状态中零序电压最小的开关状态，只需要通过比较和简单的四则运算就可以实现算法，避免了复杂的三角函数和无理数计算，易于计算机实现。易于计算机实现。易于计算机实现。

【技术实现步骤摘要】
一种级联多电平变换器零序电压最小空间矢量调制方法


[0001]本专利技术属于逆变器调制领域，涉及一种级联多电平变换器零序电压最小空间矢量调制方法。

技术介绍

[0002]级联型多电平变换器拓扑是出现最早的一种多电平变换器电路，经过二十几年的发展，特别是工业生产对中高压大功率变换器的需求增加，人们对这种变换器拓扑结构给予了极大的关注。级联型变换器以低压功率器件实现高压大容量输出，克服了变换器电压等级和容量受限于单个功率开关器件耐压和容量的问题，可以根据应用需求增加级联单元数量以增加输出电压的电平数，从而提高变换器的电压等级及容量。级联型变换器具有模块化程度高、易于扩展和控制、可靠性好、谐波含量低等特点，因此级联型结构有广泛的应用范围。
[0003]空间矢量脉冲宽度调制(Space Vector Pulse Width Modulation
‑
SVPWM)技术是正弦脉冲宽度调制(Sinusoidal Pulse Width Modulation
‑
SPWM)技术与交流电机磁链圆形轨迹相结合的一种PWM控制法。其实现方法是当交流电机以三相对称正弦波电压供电时产生的理想圆形磁链轨迹为基准，用全控型开关器件的不同开关状态组合控制产生的磁链去逼近理想圆形磁链轨迹，从而得到期望的输出电压。与传统的SPWM技术相比，SVPWM技术的功率开关器件的开关次数可以减少1/3，直流电压利用率可以提高15％，且易于实现实时的数字化控制，因此得到广泛的应用。
[0004]传统SVPWM技术首先通过克拉克变换将三相参考电压转化为二维直角坐标平面上的参考矢量，然后对参考矢量进行定位，确定距离参考矢量最近的三个基本矢量，依据伏秒平衡原理用最近的三个基本矢量合成参考矢量并计算出相应基本矢量的作用时间，之后计算出基本矢量对应的开关状态，确定开关状态切换顺序，最后将开关状态转化为具体的开关器件的控制信号，控制各个级联单元的工作，实现对三相变换器的空间矢量调制。由基本矢量计算对应的开关状态需要解一个非齐次线性方程组，非齐次线性方程组的解有无穷个，考虑到实际级联单元数有限，可得到有限个解，即存在一个基本矢量对应多个开关状态(称为冗余开关状态)。冗余开关状态导致计算工作量大、切换路径选择复杂等问题，当级联单元数增加，计算量呈指数上升，SVPWM实现难度大大增加。
[0005]基于上述传统SVPWM技术实现困难的问题，有必要研究一种新的级联多电平变换器空间矢量调制方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的就是针对传统级联多电平变换器空间矢量调制算法存在的上述问题，提出一种级联多电平变换器零序电压最小空间矢量调制方法，此方法通过附加一个特定的约束条件将SVPWM算法中基本矢量和开关状态之间映射的非齐次线性方程组转换为齐次线性方程组，求解新的齐次线性方程组，即可得到特定约束条件下基本矢量对应的开关
状态，并且所得开关状态为此基本矢量对应的所有开关状态中零序电压最小的一个。该简化SVPWM方法适用于任意级数多电平变换器。
[0007]为达到上述目的，本专利技术的技术方案为：
[0008]如附图1所示三相n级H桥级联型多电平变换器结构图，每一相由n个电压型单相全桥逆变器子模块串联组成(单相全桥逆变器子模块即H桥)，每一个H桥由四个IGBT及反并联二极管组成，与H桥并联的电容表明子模块为电压型逆变，且所有子模块的输入电压都相等，用U
dc
表示，H桥逆变子模块输出电压有三种情况：
‑
U
dc
、0、U
dc
，对应三种电平：
‑
1、0、1。对于三相n级H桥级联型多电平变换器，三相输出电压的电平数用a，b，c表示，则a，b，c∈[
±
n，
±
(n
‑
1)，
±
(n
‑
2)，...，
±
2，
±
1，0]；级联多电平变换器三个相电压参考信号为u
ra
，u
rb
，u
rc
：
[0009][0010]式中，m表示调制系数，0＜m≤1，反映H桥输入直流电压的利用率，n表示每一相级联H桥单元数，ω表示参考信号角频率，t表示时间。
[0011]级联多电平变换器零序电压最小空间矢量调制方法包括以下步骤，具体实施步骤框图如附图2所示：
[0012]步骤一：对三个相电压参考信号u
ra
，u
rb
，u
rc
采样，参考信号就是给定信号，在多电平变换器调制算法中称为参考信号，计算得到α
′‑
β
′
坐标系上的参考矢量
[0013][0014]式中，α
r
和β
r
表示参考矢量的坐标分量，对α
r
和β
r
取整得：
[0015][0016]式中int(*)为取整函数，确定距离参考矢量最近的四个基本矢量分别为基本矢量基本矢量组成单位正方形，如附图3所示；
[0017]步骤二：α
′‑
β
′
坐标系上基本矢量与开关状态S(a，b，c)之间的映射函数为：
[0018][0019]α和β表示基本矢量对应的坐标分量，由于三相电平数a，b，c∈[
±
n，
±
(n
‑
1)，
±
(n
‑
2)，...，
±
2，
±
1，
±
0]，因此α
′‑
β
′
平面上基本矢量分布于单位整数坐标点；S(a，b，c)称为基本矢量对应的开关状态，S表示开关状态名称；
[0020]步骤三：根据零序电压N最小的要求，构造约束函数：
[0021]N＝a+b+c＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0022]步骤四：联立公式(4)和(5)得：
[0023][0024]步骤五：判断(α
r
+β
r
)
‑
(α0+β0)是否大于等于1，确定距离参考矢量最近的三个基本矢量，用这三个最近的基本矢量合成参考矢量根据伏秒平衡原理计算三个基本矢量的作用时间，将基本矢量代入公式(6)，计算基本矢量对应的开关状态；
[0025]步骤六：确定三个基本矢量对应开关状态的切换顺序，采用五段算法实现空间矢量调制。
[0026]步骤四中，计算公式(6)所得a，b，c可能不为整数，需要通过round函数对a，b，c取整，round(*)表示对数值*进行四舍五入取整：
[0027][0028]如果所得a
′
，b
′
，c
′
∈[
±
n本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种级联多电平变换器零序电压最小空间矢量调制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：对三个相电压参考信号u
ra
,u
rb
,u
rc
采样，计算得到a
′‑
β
′
坐标系上的参考矢量坐标系上的参考矢量式中，a
r
和β
r
表示参考矢量的坐标分量，对a
r
和β
r
取整得：式中int(*)为取整函数，确定距离参考矢量最近的四个基本矢量分别为基本矢量基本矢量组成单位正方形；步骤二：α
′‑
β
′
坐标系上基本矢量与开关状态S(a,b,c)之间的映射函数为：a和β分别表示基本矢量对应的坐标分量，S(a,b,c)称为基本矢量对应的开关状态，S表示开关状态名称，a,b,c分别表示三个相电压对应的电平，对于n级H桥级联型多电平变换器，a,b,c∈[
±
n,
±
(n
‑
1),
±
(n
‑
2),...,
±
2,
±
1,
±
0]；步骤三：根据零序电压N最小的要求，构造约束函数：N＝a+b+c＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)步骤四：联立公式(3)和(4)得：步骤五：判断(a
r
+β
r
)
‑
(a0+β0)是否大于等于1，确定距离参考矢量最近的三个基本矢量，用这三个最近的基本矢量合成参考矢量根据伏秒平衡原理计算三个基本矢量的作用时间，将基本矢量代入公式(5)，计算基本矢量对应的开关状态；步骤六：确定三个基本矢量对应开关状态的切换顺序，采用五段算法实现空间矢量调制。2.如权利要求1所述的一种级联多电平变换器零序电压最小空间矢量调制方法，其特征在于，所述的步骤四中，计算公式(5)所得a,b，c可能不为整数，需要通过round函数对a，b，c取整，round(*)表示对数值*进行四舍五入取整：
如果所得a
′
,b
′
,c
′
∈[
±
n,
±
(n
‑
1),
±
(n
‑
2),...,
±
2,
±
1,0]，k＝0；如果所得当min(a
′
,b
′
,c
′
)<
‑
n时，k＝min(a
′
,b
′
,c
′
)+n；当max(a
′
,b
′
,c
′
)>n时，k＝max(a
′
，b
′
,c
′
)
‑
n；将a
′
，b
′
,c
′
同时减去k得：S(a”,b”,c”)即为基本矢量对应的零序电压最小的开关状态。3.如权利要求1所述的一种级联多电平变换器零序电压最小空间矢量调制方法，其特征在于，所述的步骤五中可得到两种情况：情况一：当(a
r
+β
r
)
‑
(a0+β0)≥1时，用基本矢量合成参考矢量根据伏秒平衡原理得：式中，t1,t2,t3分别表示基本矢量的作用时间，T
s
表示采样周期；根据公式(5)、(6)、(7)计算基本矢量对应的开关状态S1(a
1”,b
1”,c
1”)、S2(a
2”,b
2”,c
2”)和S3(a
3”,b
3”,c
3”)，即)，即且S1是基本矢量零序电压最小的开关状态、S2是基本矢量零序电压最小的开关状态、S3是基本矢量零序电压最小的开关状态；情况二：当(α
r
+β
r
)
‑
(α0+β0)<1时，用基本矢量合成参考矢量根据伏秒平衡原理得：式中，t0,t1,t2分别表示基本矢量的作用时间；根据公式(5)、(6)、(7)计算基本矢量对应的开关状态S0(a
0”,b
0”,c
0”)、S1(a
1”,b
1”,c
1”)和S2(a
2”,b
2”,c
2”)，即：)，即：
且S0是基本矢量零序电压最小的开关状态、S1是基本矢量零序电压最小的开关状态、S2是基本矢量零序电压最小的开关状态。4.如权利要求1所述的一种级联多电平变换器零序电压最小空间矢量调制方法，其特征在于，所述的步骤六中，首先计算基本矢量对应的冗余开关状态个数g：g＝2n
‑
max{a，b，c}+min{a，b,c}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)根据公式(10)可计算三个基本矢量或对应的冗余开关状态个数分别为g0，g1，g2或g1，g2，g3：g0＝2n
‑
max{a
0”,b
0”，c
0”}+min{a
0”,b
0”,c
0”}；g1＝2n
‑
max{a
1”,b
1”,c
1”}+min{a
1”,b
1”,c
1”}；g2＝2n
‑
max{a
2”,b
2”,c
2”}+min{a
2”,b
2”,c
2”}；g3＝2n
‑
max{a
3”,b
3”,c
3”}+min{a
3”,b
3”,c
3”}；根据开关状态切换最优的原则，判断开关状态切换顺序，有以下两种情况；情况1：当(α
r
+β
r
)
‑
(α0+β0)≥1时，计算...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾文军，王翠，王沄禾，李常学，段万政，曾瑄，涂振宇，欧阳俊铭，
申请(专利权)人：南昌工程学院，
类型：发明
国别省市：